Fundamentos da Compressão de Vídeo

Transcrição

1 Sistemas de Telecomunicações Televisão Digital Fundamentos da Compressão de Vídeo Rui Marcelino Abril 2008 Engenharia Electrica e Electrónica - TIT

2 Sumário 1. Motivação para Compressão de Vídeo 2. Fundamentos da Compressão de dados 3. Referências 2 Sistemas de Telecomunicações 2008

3 1 Motivação para Compressão de Vídeo 3 Sistemas de Telecomunicações 2008

4 Compressão de Vídeo 4 Sistemas de Telecomunicações 2008

5 Motivação para Compressão de Vídeo As Imagens requerem muito mais espaço para armazenar que texto ou áudio, o vídeo necessita de mais espaço para armazenar e uma taxa de transferência muito maior. Exemplificando: - Um sinal de áudio sem compressão coma qualidade de canal de telefone é amostrado a 8 khz e quantificado com 8 bits por amostra, o que resulta numa sequência de bits de 64 kbit/s - Um sinal de áudio com a qualidade CD é amostrado a uma taxa de 44.1 khz e é quantificado com 16 bit por amostra. Para 2 canais precisamos de Mbit/s 5 Sistemas de Telecomunicações 2008

6 Motivação para Compressão de Vídeo - O sistema europeu PAL define uma televisão com 625 linhas com um a relação de 4:3 com 25 imagens por segundo. Os sinais de luminância e de crominância são codificados separadamente. O sinal digital resultante é amostrado usando 4:2:2. A taxa de amostragem para a luminância é de 13.5 MHz e de 6.75 MHz para a crominância vermelha e azul. O resultado é (13.5 MHz MHz MHz) x 8 bit = 216 Mbit/s 6 Sistemas de Telecomunicações 2008

7 Motivação para Compressão de Vídeo - HDTV duplica o numero de linha e usa uma relação de 16:9, como resultado aumenta a taxa de dados de um factor de 5.33 comparativamente à televisão actual ou seja resulta em Gbit/s - Uma sequencia digital de imagens com 640x480 com 25 imagens por segundo, para as três cores R, G e B cada uma codificada com 8 bits resulta em Mbit/s 7 Sistemas de Telecomunicações 2008

8 Motivação para Compressão de Vídeo Armazenar ficheiros de vídeo em espaço mais reduzido. Diferentes perfis que resultam num maior ou menor espaço. Diferentes perfis Modificação do ficheiros comprimidos Indexação de vídeo por características Transmissão facilidade de transmissão e menor largura de banda necessária 8 Sistemas de Telecomunicações 2008

9 Aumento de Produtos disponíveis ao consumidor 9 Sistemas de Telecomunicações 2008

10 2 Fundamentos da Compressão de dados 10 Sistemas de Telecomunicações 2008

11 Codificação como Compressão As técnica de codificação podem ser classificadas em várias categorias: CODIFICAÇÃO DE ENTROPIA - codificação sem perdas RLC Run Length Coding Codificação de Huffman Codificação Aritmética CODIFICAÇÃO DA FONTE codificação com perdas baseadas em HVS e HES Interpolação e sub amostragem Transformadas CODIFICAÇÃO HIBRIDA JPEG, MPEG, H.261, H.263, H Sistemas de Telecomunicações 2008

12 Codificação de Entropia A codificação de entropia é indiferente das características especificas da sequencia de bits, resulta numa compressão sem perdas. Codificação de fonte toma em consideração a semântica dos dados, resulta numa compressão com perdas mas que não é perceptível na descompressão 12 Sistemas de Telecomunicações 2008

13 Passos processamento na codificação híbrida 1 Preparação da Imagem 2 Processamento da Imagem Transformada Quantificação 3 4 Imagem descomprimida 1. Inclui a conversão analogica-digital e a correspondente representação digital, normalmente a imagem é dividida em blocos de 8x8 2. É o primeiro passo do processo de compressão, por exemplo a transformação do tempo para o domínio da frequência (DCT) 3. Quantificação das transformadas do passo anterior com pesos pré definidos. Este passo define a qualidade pretendida pois quanto menor o passo maior o numero de bits necessário para a representação (resulta num compromisso) 4. Codifica por entropia a sequencia de bits resultante da quantificação 13 Sistemas de Telecomunicações 2008

14 14 Sistemas de Telecomunicações 2008

15 Passos processamento na descodificação 1 Descodificação É basicamente o processo inverso da compressão 2 Quantificação Inversa 3 Transformada Inversa 4 Codificação de entropia 15 Sistemas de Telecomunicações 2008

16 Compressão Básica Interpolação e sub amostragem Sub-Amostragem das diversas componentes. A componente de luminância é amostrada 2x mais que a taxa das crominâncias (azul e vermelha) O sistema de visão humano é mais sensível à variação da intensidade que à variação de cores. Y=0.30R G B U = B Y V = R -Y 16 Sistemas de Telecomunicações 2008

17 Compressão Básica RLC Run Length Encoding Em sequencias de vídeo e áudio existem muitos bytes repetidos, este podem ser substituídos por um padrão. Se um dado item d, ocorre n vezes consecutivas, então é substituída pelo par nd 17 Sistemas de Telecomunicações 2008

18 Compressão Básica RLC Run Length Encoding Exemplo: 2._all_is_too_well Hipótese: 2._a2_is_t2_we2 (não serve!!!) Hipótese: 2._a2l_is_t2o_we2l (não faz compressão!!!) O numero 2 na sequencia original Utilizar um caracteres especifico por 2._a@2l_is_t@2o_we@2l 2 caracteres são substituídos por 3 Este método poderá funcionar para sequências de caracteres superiores a 3! Para texto parece pouco provável sequencias de caracteres superiores a 3 18 Sistemas de Telecomunicações 2008

19 Compressão Básica RLC Run Length Encoding Considerando uma cadeia de caracteres N, que precisam de ser comprimidos, considerando que cada cadeia de caracteres contem M repetições de tamanho L cada. Para cada repetição M é substituída por 3 caracteres (escape, Contador e dados) O tamanho da cadeia comprimida é: N M L +M 3 = N M(L 3) Factor de compressão: N/[N M(L 3)] 19 Sistemas de Telecomunicações 2008

20 Compressão Básica Substituição estática Uma técnica usada para compressão de texto um conjunto de caracteres que ocorre frequentemente por um padrão. Por exemplo na língua inglesa os pares de bytes que ocorrem mais frequentemente são os E, T, e S. A substituição destes pares por caracteres especiais resulta numa redução 10% 20 Sistemas de Telecomunicações 2008

21 Compressão Básica Substituição Dinâmica LZW 21 Sistemas de Telecomunicações 2008

22 Compressão Básica Substituição Dinâmica LZW the/rain/in/spain/falls/mainly/on/the/plain. 22 Sistemas de Telecomunicações 2008

23 Codificação de Tamanho Variável - Huffman Para cada símbolo são gerados códigos de tamanho variável Quanto maior a frequência de ocorrer um símbolo menor é o tamanho do código correspondente A codificação de Huffman resulta numa compressão sem perdas Valores típicos de compressão de 20% a 90% 23 Sistemas de Telecomunicações 2008

24 Codificação Huffman - Procedimento Listagem de todos os símbolos na ordem descendente das suas possibilidades de ocorrência (ordem descendente da frequência de ocorrência) O tipo e tamanho dos símbolos é indiferente Para cada símbolo são gerados códigos de tamanho variável Listagem dos símbolos com ordem decrescente de probabilidade. Vai-se Construir uma arvore binária ( cada nó só pode ter 2 ramos) São juntos os símbolos de menor probabilidade que são então somados em símbolos auxiliares e estes símbolos auxiliares recolocados no conjunto de símbolos 24 Sistemas de Telecomunicações 2008

25 Solução I a 1-0 a 2-10 a Comprimento médio a do código: 0.4x1+0.2x2+0.2x3+0.1x4+0.1x4=2. a bits/símbolo 25 Sistemas de Telecomunicações 2008

26 Solução II a 1-11 a 2-10 a 3-00 Comprimento médio a do código: 0.4x2+0.2x2+0.2x2+0.1x3+0.1x3=2. a bits/símbolo 26 Sistemas de Telecomunicações 2008

27 Codificação de Huffman A codificação de Huffman não é única, vários códigos de Huffman são possíveis Qual a melhor solução? Resposta: O código com menor variância A variância significa quanto o tamanho do código individual varia do tamanho médio

28 Codificação de Tamanho Variável - Aritmética 20% 30% 50% A B C 20% 30% 50% AA AB AC 20% 30% 50% ACA ACB ACC Na figura está a ideia básica da codificação aritmética. Consideremos o alfabeto {A, B, C}, com probabilidades de ocorrência p(a) =0.2, p(b)=0.3 e p(c)=0.5. Qual a codificação para ACB? A resposta é Sistemas de Telecomunicações 2008

29 3 Referências 29 Sistemas de Telecomunicações 2008

30 Referências - David Salomon, Data Compression the Complete reference, 3 ed (2004) [Cap.1, 2 e 3] 30 Sistemas de Telecomunicações 2008